中国耕地复种潜力提升空间及优化配置

To feed the growing China’s population, more food needs to be produced using currently available cropland. Total food production is a function of the harvested area and the yield. Many studies have investigated opportunities to increase production by closing the yield gap and by expanding cropland area. However, the potential to increase food production by increasing cropping intensity on existing cropland has remained largely unexplored. Information on cropping intensity gaps of current China’s croplands is lacking. In this study, we propose a method to estimating the potential and actual cropping intensity for current croplands around the year 2015. Using these two-cropping intensity, we measure the cropping intensity gap—the theoretical gap between the potential cropping intensity that is theoretically possible and the cropping intensity that is realized today. We further analyze the potential contribution to food production if fully closing this gap, as well as its effects on eco-environment (such as water resource consumption, soil organic carbon dynamics and GHGs missions). Finally, we attempt to propose the scientifically sustainable strategy of increasing cropping intensity of current croplands by considering the trade-offs between food production and environmental protection. This study will help to propose some key scientific issues in agricultural intensification study, to promote the development of theories, methodologies and techniques in related disciplines, and to provide a potential strategy to increase food production through reducing cropping intensity gaps to help people escape extreme hunger without a need of cropland expansion.

项目围绕耕地复种这一传统研究主题，提出了耕地复种提升潜力研究的新视角，集成利用多学科理论和技术方法，以“潜力估算-效应解析-优化调控”为主线开展科学研究。首先，构建基于空间网格单元的耕地复种提升潜力估算模型，分析目前我国耕地复种提升潜力空间及其区域差异；其次，集合空间模型科学解析耕地复种指数提升对粮食产量增加的贡献作用以及带来的生态环境效应；最后，研究提出不同区域合理、可持续的耕地复种潜力提升布局和优化方案，实现我国的粮食安全、资源安全和生态安全的协调权衡。本项目研究成果有利于促进农业土地集约化利用格局与功能、效应之间相互作用和协同研究的理论和技术方法发展和完善，为新常态下我国农业土地利用的宏观调控和农业生产格局优化、保障国家粮食安全和促进农业可持续发展，提出切实可行的理论支撑、技术途径和决策建议。

项目从耕地复种提升潜力新的研究视角出发，科学揭示目前我国耕地的复种提升潜力，科学解析复种潜力提升对国家粮食增产的贡献作用及其造成的生态环境效应，并科学提出多目标权衡的、可持续的复种潜力提升优化配置方案。项目取得的主要成果如下：（1）从农业土地系统科学视角出发，系统总结了耕地复种指数研究的研究框架和核心研究内容，格局与过程探测是耕地复种指数研究的重要基础，功能与效应分析是耕地复种指数研究的核心内容，优化调控是耕地复种指数研究的关键任务。（2）针对以往研究主要利用复种指数(MCI)来衡量实际复种状况，引入复种频率(MCF)，利用三个不同时空分辨率的遥感数据集观测复种，对复种频率进行验证和比较，探究时间和空间分辨率对复种频率观测的不确定性。（3）从种植制度的实际内涵出发，在传统的复种频率研究基础上，创新性提出综合考虑一年及多年种植模式的复种系统新概念并进行实证研究。（4）评估了我国耕地种植强度提升潜力及其对粮食产粮的影响，我国耕地集约化利用潜力较大，全国最多可提供约2.36×106km2潜在收获面积，约为耕地总面积68%。若考虑水资源限制，在最现实情况下充分利用潜力可额外生产1.8×108吨粮食作物（约+19.6%）。（5）特定的农作物组合匹配是耕地复种潜力提升的产量贡献的基础，项目提出了一种新的光谱-时相特征自动优选算法（PSTFS），利用农作物的典型季相节律特征来构建不同农作物最优识别特征。（6）针对复种潜力评估重点关注复种频率（MCF）影响、对作物生育期（GD）考虑不多的问题，通过分析MCF和GD之间的作用，证实了作物选择在衡量和挖掘耕地复种潜力方面的重要作用。（7）针对耕地集约化利用不再仅仅局限于种植业、种养结合的复合模式快速发展的问题，对江汉平原新的稻虾种养模式时空变化过程及特征进行分析。（8）解析了我国耕地集约化与规模化利用的耦合特征及其优化协调发展策略。我国县级尺度耕地集约化和规模化利用耦合度较高，两化之间密切关联，但耦合协调性存在明显的区域差异；“初级协调-集约化发展滞后型”和“中级协调-规模化发展滞后型”为两种主导的耦合模式。（9）项目共发表论文24篇，其中：SCI论文15篇、国内核心期刊论文9篇；出版专著1部；获省部级科技奖励3项；培养博士后3名、博士研究生5名、硕士研究生2名。